簡易避障小車設計

1、簡易避障小車設計1. 設計背景隨著汽車的自動化、智能化程度的提高，新一代智能汽 車的研發(fā)在國內(nèi)外受到越來越多的重視。目前，國內(nèi)比較先 進的智能車通過觀測前方的路況，將路面的信息輸入到車內(nèi) 的電腦中， 通過計算機控制方向盤的運動， 實現(xiàn)自動避障 1 智能車輛的速度，關(guān)鍵在于它的控制技術(shù)，這就涉及到它的 避障算法。一個好的控制算法如同一個有經(jīng)驗的司機，控制 汽車運行 2 。自第一臺工業(yè)機器人誕生以來，智能小車的發(fā) 展已經(jīng)遍及機械、電子、冶金、交通、宇航、國防等領域。 近年來智能小車的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人 們的生活方式。 人們在不斷探討、 改造、 認識自然的過程中， 制造能替代人勞動

2、的機器一直是人類的夢想。借此在上單片 機課的這次機會，我們?nèi)齻€共同想要自己研究制造一輛避障 小車。2.總體概述2.1 系統(tǒng)功能智能小車采用后輪驅(qū)動，后輪左右兩邊各用一個電機驅(qū) 動，分別控制兩個輪子的轉(zhuǎn)動從而達到轉(zhuǎn)向的目的，后輪是 萬向輪，起支撐的作用。將三個紅外線光電傳感器分別裝在 車體的左中右，當車的左邊的傳感器檢測到障礙物時，主控 芯片控制右輪電機反向轉(zhuǎn)動左輪電機正向轉(zhuǎn)動，車向右方轉(zhuǎn) 向，當車的右邊傳感器檢測到障礙物時，主控芯片控制左輪 電機反向轉(zhuǎn)動，右輪電機正向轉(zhuǎn)動，車向左方轉(zhuǎn)向，當前面 有障礙物時規(guī)定車向右轉(zhuǎn)。2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)兩個直流電機 內(nèi)嵌單片機 系智能避障小車的結(jié)構(gòu)2.3 系統(tǒng)原

3、理本設計用單片機來處理傳感器采集來的數(shù)據(jù)，通過光電 開光傳感器判斷小車前面的障礙物接受信號，處理完畢之后 以便去控制電機驅(qū)動電路來驅(qū)動電機。電源部分為整個電路 模塊提供電源，以便能正常工作。2.4 控制框圖避障傳感器 單片機 電機驅(qū)動電源模塊（5v）電池（9v）2.5 系統(tǒng)模塊2.5.1 障礙物探測模塊使用三只 E3F-DS30C4光電開關(guān)，分別探測正前方，前 右側(cè)， 前左側(cè)障礙物信息， 在特殊地形 （如障礙物密集地形） 可將正前方的光電開關(guān)移置后方進行探測。 E3F-DS30C4光電 開關(guān)平均有效探測距離 0-30cm 可調(diào)，且抗外界背景光干擾 能力強，可在日光下正常工作（理論上應避免日光和

4、強光源 的直接照射） 。小車換檔調(diào)速后的最大制動距離不超過 30cm， 一般在 10-20cm 左右。2.5.2 電機驅(qū)動模塊使用全橋驅(qū)動芯片 L298N芯片驅(qū)動電機， L298N是一個具 有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，輸出電壓最高可達50V，IO可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的口提供信號，而且?guī)в惺鼓芏?，方?PWM調(diào)速，電路簡單， 性能穩(wěn)定，使用比較方便。 L298N芯片可以驅(qū)動兩個二相電 機，也可以驅(qū)動一個四相電機，正好符合小車兩個二相電機 的驅(qū)動要求。2.5.3 電源模塊采用 6V 干電池通過 7805 轉(zhuǎn)換為 5V 電壓向單片機和光 電開光供電，在穩(wěn)壓方面，起始時考

5、慮使用 7805 芯片對 6V 的電池電壓進行降壓穩(wěn)壓。故使用干電池對系統(tǒng)供電，小車模型作為小車底座，采 用單片機作為主控芯片，采用 E3F-DS30C4光電開關(guān)進行障 礙物探測，使用 L298N 驅(qū)動直流電機。3.硬件電路本次設計是以單片機來控制小車實現(xiàn)啟停和檢測前面的障礙物并且能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的避障。本系統(tǒng)硬件由單片機系統(tǒng)控制電路、 障礙檢測電路、 電機驅(qū)動電路和顯示電路模塊。 本設計通過小車這個載體再結(jié)合由單片機為核心的控制板 可以達到其基本功能，能夠利用紅外線光電傳感器感應到前 面的障礙物，再通過控制電路使小車可以進行向右向左轉(zhuǎn) 彎，再輔加由紅外線光電傳感器組成的避障電路、 電源電路、 差

6、分驅(qū)動電路就可以完善整個設計。利用紅外技術(shù)檢測障礙 物信息，采用單片機進行實時控制，實現(xiàn)智能避障，智能小 車采用后輪驅(qū)動，兩輪各用一個直流電機控制，避障用的傳 感器采用光電開光傳感器。電路框圖3.1 硬件的最小系統(tǒng)設計模塊單片機在系統(tǒng)中起到控制中心的作用，負責檢測傳感器 的狀態(tài)并向電機驅(qū)動電路發(fā)出動作命令。采用手動復位。用 單片機構(gòu)成最小應用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電路和 復位電路即可。由于集成度的限制，最小應用系統(tǒng)只能用作 一些小型的控制單元。單片機的 P1 口通用口用來接收紅外傳感器的信號 ,P1.0到P1.3 口分別來接收三個光電開關(guān)的輸入信號， P2 通用口用來驅(qū)動電機， P2.0

7、 到P2.6 用來控制 L298N 的輸入口Text最小系統(tǒng)電路圖如圖：TextTextText最小系統(tǒng)電路圖3.1.1 時鐘電路單片機雖然有內(nèi)部振蕩電路， 但要形成時鐘， 必須外 部附加電路。 單片機產(chǎn)生時鐘有兩種方法。 內(nèi)部時鐘方式 和外部時鐘方式。本設計采用內(nèi)部時鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電 路，在 XTAL1 、XTAL2 引腳上外接定時元件， 內(nèi)部的振蕩 電路便產(chǎn)生自激振蕩。本設計采用最常用的內(nèi)部時鐘方 式，用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。 振蕩晶體可 在 1.2MHZ 到 12MHZ 之間選擇。電容值無嚴格要求，但電 容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、 大小、 振蕩電路起振速 度有

8、少許影響， CX1 、CX2可在20PF到100PF 之間取值， 但在60PF到70PF 時振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。 所以本設計中，振蕩晶體選擇 12MHZ, 電容選擇 20PF時鐘Tex電t 路圖如圖所示：TextText1819時鐘電路Text3.1.2 復位電路infineonXC2000 的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。 復位引腳 RST 通過一個斯密特觸發(fā)器來抑制噪聲。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。 上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。只 要 Vcc 的上升時間不超過 1ms ，就可以自動實現(xiàn)自動上電復 位。時鐘頻率用 11.0592MHZ 時C取

9、10 F,R 取1K。除了上電復位外，有時還需要按鍵手動復位。本設計就 是用的按鍵手動復位。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式 兩種。其中電平復位是通過 RST 端經(jīng)電阻與電源 Vcc接通而 實現(xiàn)的。復位電路圖如圖所示：Text TextSW15V10UFRST5V+RST復位電路3.2 避障電路避障電路采用漫反射式光電開關(guān)進行避障。光電開關(guān)是 集發(fā)射頭和接收頭于一體的檢測開關(guān)，其工作原理是根據(jù)發(fā) 射頭發(fā)出的光束，被障礙物反射，接收頭據(jù)此做出判斷是否 有障礙物。單片機根據(jù)接收頭電平的高低做出相應控制，避 免小車碰到障礙物，由于接收管輸出 TTL 電平，有利于單片 機對信號的處理。小車避障的原理：

10、小車車頭處裝有三個光電開關(guān)，中間 一個光電開關(guān)對向正前方， 兩側(cè)的光電開關(guān)向兩邊各分開 30 度。小車在行進過程中由光電開關(guān)向前方發(fā)射出紅外線，當 紅外線遇到障礙物時發(fā)生漫反射，反射光被光電開關(guān)接收。 小車根據(jù)三個光電開關(guān)接受信號的情況來判斷相應的動作。 光電開關(guān)的平均探測距離為 30cm 。光電開關(guān)工作原理：光電開關(guān)是通過把光強度的變化轉(zhuǎn) 換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的。光電開關(guān)在一般情況下， 有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。避障功能表見表 1-1 ：表 1-1 避障功能表傳感器避障電路輸出 （上升沿動作 ）待執(zhí)行命令右中左左轉(zhuǎn)信號 （ P3.1 ）右轉(zhuǎn)信 號（ P3.0 ）

11、000左轉(zhuǎn)001左轉(zhuǎn)010不存在011左轉(zhuǎn)100右轉(zhuǎn)101左轉(zhuǎn)110右轉(zhuǎn)111前進注（“0”表示有障礙物；“1”表示無障礙物）3.3 電源模塊設計電源模塊的作用把 6V 鋅錳干電池通過 7805 轉(zhuǎn)換為 5V ， 供單片機和光電開關(guān)使用。電池對驅(qū)動電機供電。本系統(tǒng)所有芯片都需要 +5V 的工作電壓，而干電池只能 提供的電壓為 15V 的倍數(shù)的電壓， 并且隨著使用時間的延 長，其電壓會逐漸下降，則需要 LM7805 穩(wěn)壓芯片。 L7805 能提供 300 至 500mA 的電流，足以滿足芯片供電的要求。雖然微處理器和微控制器不需要支持電路，功耗也很低，但必須要加以考慮?？梢詽M足需要。電源模Tex

12、t塊電路圖如圖 2-5 ：TextText1100uf+9VDN nL7805CV+ 100uf+104pf5V2圖 2-5 電源模塊電路圖Text3.3 電機驅(qū)動模塊設計電機驅(qū)動模塊主要功能是將主控芯片發(fā)出的信號通過L298N 電機控制芯片轉(zhuǎn)化為小車實際的動作。 L298N 芯片有 兩個電源引腳 VDD 引腳和 VCC 引腳。 VDD 引腳接 +9V 電 源用來給電機供電， VCC 引腳接 +5V 電源用來給芯片供電， 并作為邏輯高電平標準。 L298N 芯片通過一個有四個 IN4148 二極管組成的保護電路與電機相連，保護電路主要是用來在 電機開啟和關(guān)閉時防止被反向擊穿。由于一直讓轉(zhuǎn)向電機

13、以最大功率使能從而獲得最大的 扭矩，保證小車轉(zhuǎn)向成功，而不需要控制轉(zhuǎn)向電機的輸出功 率，所以 ENA 引腳（即轉(zhuǎn)向電機使能引腳）直接接+5 V ，即讓轉(zhuǎn)向電機一直使能。對于后置的驅(qū)動電機，不僅要控制 其實現(xiàn)前進、后退和停止，還要能夠控制其轉(zhuǎn)速以解決由于 電量不足而產(chǎn)生的小車變慢的問題 15 。所以，將 L298N 芯 片的 ENB 引腳與 STC89C51 的 P2.1 ，用來實現(xiàn) PWM 調(diào)速。L298N 芯片的 IN1 和 IN2 引腳分別和 STC89C51 的 P2.4 和 P2.5 引腳連接用來接收主控芯片輸出的轉(zhuǎn)向電機的 動作指令， 并通過 OUT1 和 OUT2 來控制轉(zhuǎn)向電機的

14、正轉(zhuǎn)與 反轉(zhuǎn)，最終功能的實現(xiàn)表現(xiàn)在小車的左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)。 L298N 芯 片的 IN3 和 IN4 引腳分別與 STC89C51 的 P2.2 和 P2.0 引 腳連接用來接收主控芯片輸出的驅(qū)動電機的動作指令，并通 過 OUT3 和 OUT4 來控制驅(qū)動電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)， 最終功能 的實現(xiàn)表現(xiàn)在小車的前進、后退、停止。采用與門對兩電機進行選擇控制， 從而實現(xiàn)前進、 左轉(zhuǎn)、 右轉(zhuǎn)。驅(qū)動電路原路框圖如圖 2-6 ：圖 2-6 驅(qū)動電路原理圖驅(qū)動電路圖如圖 2-7 ：圖 2-7 電機驅(qū)動模塊電路圖可參考下圖表：電機旋轉(zhuǎn)方式控制端IN1控制端IN2控制端IN3控制端IN4輸入 PWM 信號改變脈寬可調(diào)速調(diào)速端A調(diào)速端BM1正轉(zhuǎn)高低/高/反轉(zhuǎn)低高/高/停止低低/高/M2正轉(zhuǎn)/高低/高反轉(zhuǎn)/低高/高停止低低/高3.4 單片機控制電路模塊4 軟件設計在進行微機控制系統(tǒng)設計時， 除了系統(tǒng)硬件設計外， 如 何根據(jù)每個功能需要設計應用程序。因此，軟件設計在微機 控制系統(tǒng)設計中占很重要的地位。對于本系統(tǒng)，軟件也顯得 比較重要。軟件和硬件的結(jié)合，使系統(tǒng)達到更好的效果。程 序使用 C 語言來編寫，編譯軟件使用 keilC51 來進行編譯。為了完成本設計，在進行軟件設計時，通常把